刚性悬挂接触网在城市轨道交通牵引供电系统中的应用

刚性悬挂接触网在城市轨道交通牵引供电系统中的应用孙海东也日趋广泛、成熟，如上海轨道交通9号线、8号线、6号线，广州地铁2号线、3号线，成都地铁1号线，沈阳地铁1号线，南京地铁南北线工程都采用刚性悬挂接触网，并 已投入运营。目前，正在建设的上海轨道交通11号线、10号线，南京地铁2号线，深圳地铁4号线，成都地铁2号 线，西安、郑州、长沙、宁波、苏州、重庆、天津等地铁 都采用了刚性悬挂接触网。研究表明，刚性悬挂不但可在城市轨道交通中应用， 而且在铁路系统电气化铁道改造中也有应用价值。既有线 路电气化扩能工程、净空受限的隧道接触网悬挂方式也更 多选择了刚性接触网方式。如宝兰复线新东岗隧道、焦柳 铁路石怀线电气化扩能工程、新建兰武二线乌鞘岭隧道等 工程中，刚性接触网悬挂均得到良好应用。1刚性悬挂接触网的发展及研究现状1.1国外刚性悬挂接触网的发展及研究情况1956年，日本都市交通审议会制定“今后建设地下 高速铁道时，应贯彻同市郊电气化铁道直通运行”的基本 方针之后，便着手开发一种安装在隧道顶部的架空三轨式 接触网。1961年，日本营团地铁日比谷线采用了“T”型刚性 悬挂接触网系统作为接触网悬挂形式。1974年以后，日 本修建的地铁绝大多数均采用刚性悬挂接触网。1983年，在法国巴黎RATP A线，刚性接触悬挂主要 型式之一“”型刚性接触悬挂系统成功应用。1986年，瑞士和法国共同研制的刚性接触网在苏黎 世隧道开始运行，从而使人们认识到刚性接触网的优点。20世纪90年代初，韩国汉城地铁已大量使用日式和 欧式刚性接触网，系统运营速度已达到110 k m/h，经验 证，接触网维修量小，运行正常。2004年，奥地利Sittenberg隧道刚性悬挂接触网试验 速度达260 km/h，运行速度达200 km/h。1.2我国刚性悬挂接触网的发展及应用情况1999年6月，广州地铁1号线坑口站花地湾站建成 约135 m的“”型铝合金汇流排刚性悬挂接触网试验 段，是我国第一条刚性接触网试验示范段。2003年6月，广州地铁2号线正式对外运营，是国内 首次采用架空刚性悬挂技术的地铁线路，整个系统的良好 性能表现，为刚性悬挂架空接触网安装形式在我国轨道交 通领域的广泛推广应用打下了坚实基础。随着我国城市轨道交通的蓬勃发展，城市轨道交通 接触网悬挂方式的选择更多倾向于刚性接触网方式，应用2刚性悬挂接触网与城市轨道交通牵引供电系统2.1刚性悬挂接触网的主要特点刚性悬挂接触网是一种区别于传统柔性接触网的供电 方式，分为“T”型和“”型2种安装方式。“T”型汇 流排载流截面大，减少电阻40%以上，无须辅助馈电线， 因此结构简单紧凑（见图1）。“”型汇流排靠自身夹 持接触线，自重较轻，成本较低，结构更为合理，便于安 装和维修（见图2，图3）。刚性悬挂的跨距较小，且与运 行速度有密切关系。根据试验和运行经验，“”型刚性 接触悬挂P A C110型汇流排跨距d 、驰度f 与速度v 的对应关 系见图4和表1。2.2城市轨道交通牵引供电系统城市轨道交通牵引供电系统由牵引变电所和接触网系 统组成，牵引变电所将三相高压交流电转换成适合电力机352011年第1期350线 路 中 心单位：mm图1 “T”型刚性悬挂安装示意图850425至轨面连线4 040 a线 受路 电中 弓心 中心单位：mm图3 “”型刚性悬挂汇流排断面图fd图4 PAC110型汇流排跨距、驰度与速度的对应关系图表1 PAC110型汇流排跨距、驰度与速度的对应关系表-1跨距d m驰度f /mm速度v max/（kmh ）83.1160107.51201215.580电气化系统/3 刚性悬挂接触网在城轨交通牵引供电系统中的应用刚性悬挂接触网的开发应用至今已有100多年的历 史。经过10多个国家40多条地铁的运营及设计上的不断 改进，刚性悬挂接触网已日臻完善。通过与柔性悬挂接触 网进行比较，从结构合理性、运行可靠性、自身优缺点、 常见问题及解决办法等方面，具体说明刚性悬挂接触网在 城市轨道交通牵引供电系统中的应用情况。3.1 刚性悬挂接触网结构的合理性“”型刚性接触悬挂由悬挂定位装置、绝缘子、 P A C110型汇流排、接触线等组成，无需辅助馈电线，结 构简单、紧凑、合理。在汇流排夹口的弹性作用下，铜接 触线的安装无需螺栓，安装和维修更换极为方便。柔性接 触悬挂一般由承力索和接触线组成，需要较大的恒定张 力，支持装置为弓形腕臂或直腕臂。为适应地铁较大电流 需求，柔性悬挂一般还需悬挂34根辅助馈电线。（1）刚性接触悬挂无张力，结构简单、锚段关节 处无需重力式补偿装置下锚，可不考虑受流时导线的抬 升、接触线的振动及柔性悬挂结构高度占用的空间，隧 道净空高度可降低50100 m m，不存在通过长大区间实 施困难的情况。而柔性悬挂中接触线、承力索以张力架 设，其锚段长度一般为1 500 m，在改进棘轮补偿装置的 坠砣材质和对锚段进行合理划分后，其锚段长度最大可达1 700 m。如果柔性悬挂需要在区间内采用重力式棘轮补 偿装置下锚，需在圆形隧道和马蹄形隧道内预留下锚装置 的安装空间，对土建工程的影响较大，而且仅在马蹄形暗 挖区间具有实施条件，在圆形隧道内进行空间预留实施非 常困难。（2）在隧道内交叉渡线、渡线、折返线等处，刚性车应用的低压直流电；馈电线再将牵引变电所的直流电送到牵引网上，电力机车通过受流器与牵引网的直接接触获 得电能。牵引网有接触网和接触轨2种形式。362011年第1期电气化系统悬挂接触网充分显示出其无张力布置的优越性，采用锚段关节过渡，无需任何补偿装置，不需额外增加隧道空间， 结构简单，实施便利。而柔性悬挂线网布置复杂，渡线接 触网小锚段在线路道岔处附近，一端采用重力式补偿装 置，一端采用无补偿装置。采用重力式补偿装置的一端占 用土建空间较大，甚至需要土建进行预留暗挖，接触网结 构复杂，同时与其他专业管线相互干扰多。（3）由于分段绝缘器上安装了密闭开关，电火花减 少。运行实践表明，列车很容易达到80 k m/h也不会产生 电火花。而且，运营速度达到110 km/h也没有产生电火花 问题。3.2 刚性悬挂接触网运行的可靠性由于刚性接触悬挂无补偿张力，且不存在汇流排断 裂或接触线断线的可能，从而避免了柔性悬挂的钻弓、烧 融、不均匀磨耗、高温软化、线材缺陷及弓网故障等各种 原因造成的断线事故。因此，刚性悬挂的故障一般只是点 故障，故障范围很小。另外，接触导线不受轴向张力影 响，不存在断线之忧，接触导线的允许磨耗截面是柔性悬 挂的2倍，理论主接触线允许磨耗至汇流排夹口边缘，只 要保证受电弓与汇流排不接触即可。（1）柔性悬挂中接触线需施加张力，存在断线的可 能，一旦发生故障，可能会涉及一个锚段；一时难以恢 复，故障恢复时间较长。架空柔性悬挂接触网带张力，承 力索为14 k N，两根接触线为22 k N，发生故障时对隧道 内其他管线存在相互干扰；尤其是拆卸一个锚段长度的柔 性悬挂接触网，实施的复杂程度相对较大。首先必须在锚 段两端进行卸载，然后逐个悬挂点拆卸，如卸载不彻底， 有可能崩断接触线及承力索，造成绝缘子断裂等，从而扩 大故障范围。（2）刚性悬挂接触线无张力，且无断线之忧，发生 故障时与隧道内其他管线基本不存在干扰。尤其是更换刚 性悬挂接触网的接触线时，由于刚性悬挂结构的便利性， 接触线可以一段一段地进行更换，无张力，从而赢得了抢 修时间，大大缩短了故障恢复时间。（3）刚性悬挂跨距小，使用中移动量小、变形量 小，带电部件发生对地短路故障的概率小。（4）刚性悬挂在轻微损坏情况下，车辆可继续低速 运行。（5）暗挖区段隧道结构有渗水、漏水现象，刚性悬 挂接触网汇流排取代了承力索和馈线，水滴在刚性悬挂上 时可安装防雨罩加以防护。因水中含有化学物质，水滴在柔性悬挂接触网上时，产生腐蚀后易发生断股（承力索、馈线都是多股硬铜绞线材料并带有张力），严重时导致断 线塌网事故。3.3 刚性悬挂接触网的优点（1）刚性悬挂对隧道净空要求低。在隧道中安装对空 间的需求很小，汇流排本身（包括接触线）仅需要110 mm 空间，加上支撑装置和电气安全距离（D C 1 500 V），从 汇流排的接触面到隧道顶部也只需要300 m m。因此可减 小隧道的净空。（2）不破坏隧道的防水层。刚性悬挂预埋螺栓打孔 深度较浅（M16后切底螺栓为125 m m，M20化学螺栓为170 mm)，可有效保护隧道的防水层不被破坏。（3）结构简单。柔性接触网由许多部分和零部件 组成，常使用双承力索和双接触线后，仍需增加34根150 m m2的辅助馈线，结构复杂；而刚性接触网所需部件 很少，汇流排仅承受自重，不需额外机械张力支持及沿线 路布置众多锚固支架，结构得到优化。因刚性悬挂接触网 的结构特点，导线根本不可能出现硬弯。（4）便于安装和维修。刚性悬挂相对柔性悬挂而 言，前者为固态，后者为动态，因此刚性悬挂调整从理论 讲可一次做到标准尺寸，因此降低了施工作业的强度，且 运营后维修量很小。（5）横截面载流量大，改善了受电弓的受流条件。 汇流排的载流量相当于1 2001 500 m m 2的铜导线， 对采用低电压（D C 750 V或D C 1 500 V）的城市地铁而 言，即使列车开行间隔很短（2 m i n），也不需额外增加 辅助馈线来减小接触网电压降。由柔性悬挂的点控制导线 改为刚性悬挂的面控制导线，增大了截面载流量。（6）延长接触网维护周期。对城市轨道交通而言， 运输密度大、间隔小，在夜间停运很短时间内进行定期检 修比较困难。维修工作的不均衡造成劳动力组织的困难与 浪费。刚性悬挂接触网可放宽导线的磨耗量超过25%的 换线要求，有效提高接触导线的使用寿命，使接触线使用 寿命延长2倍以上，也不会出现接触网断线的潜在事故危 险，因而不必担心接触线过度磨损而导致断线，延长隧道 中接触网维修周期。（7）可靠性高。刚性悬挂比柔性悬挂在结构方式上 加强了稳固性，受温度、张力及其他因素影响大大降低， 汇流排的形状类似散热器，显著改善散热效果。这种散热 效果和无张力可以防止汇流排和接触线过热，无需担心线 路繁忙以及线网短路和断线的威胁。汇流排的运行简单，372011年第1期电气化系统极大地保证了接触网系统的可靠性。（8）国产化程度高，易于推广应用。到目前为止， 刚性悬挂接触网的国产化已经达到95%以上，除膨胀元 件、刚柔过渡元件、刚性分段绝缘器和架线小车等少数部 件和专用工具的生产制造技术和工艺有待研究提高外，其 他部件均能在国内自主制造，且运行性能良好。（9）成本费用低，节约投资。从我国目前技术看， 刚性悬挂条公里指标为100余万元，而柔性悬挂条公里指 标为30万40万元。虽然刚性接触网的工程投资比柔性 高，但所需土建投资费用大量减少（1 500 V刚性接触网 所需隧道净空要比柔性低出50100 m m），维修费和事 故直接损失费降低，从长远利益分析，采用刚性接触网有 很大优势，成本费用节省是显而易见的。3.4刚性悬挂接触网的缺点（1）对线路的稳定性要求较高，隧道中最好采用整 体道床。（2）制造、测量和安装工作的精确度要求非常高， 必须采用更先进的测量仪器、专用安装工具、检测仪器， 以及检测、试验手段，对现场操作人员和技术装备要求较 高。既有设备性能不能满足刚性悬挂的施工和维护要求， 还有待完善和提高。（3）国内尚无完整的刚性悬挂接触网施工技术规 范、质量验收规范和维护、检修标准，经验不足。（4）“”型刚性悬挂接触网弹性很小，受电弓与 接触线为刚性接触，目前不适应260 km/h以上的高速运行 要求。3.5常见问题及解决办法（1）个别区段接触线磨耗量偏大。解决办法：一方 面进行结构性优化，适当增加这些区段的弹性；另一方面提高受电弓的稳定性和追随特性。（2）受电弓碳滑板磨耗不均匀。解决办法：将该线 锚段的布置调整成“近似全正弦波”形布置，可改善受电 弓碳滑板磨耗不均匀问题。（3）锚段关节的拉弧问题。解决办法：把关节起始 过渡处的非工作支比工作支抬高24 mm时，受电弓过渡 最为良好，产生火花的现象也最少。（4）中心锚结处的负弛度问题。解决办法：把中锚 安装位置移至锚段中间附近的定位点处，采用在定位点两 边的汇流排上各装设一个中锚线夹和拉杆的方法。（5）汇流排中间接头螺栓的松动问题。解决办法： 抬高两汇流排端头， 使汇流排下沿夹导线侧对齐密贴、 汇流排上平面保持0.51.5 mm的间隙， 然后用力矩扳手 调整，能有效减少类似情况的出现。4结束语在城市轨道交通领域，在旧线改造、新线建设、低净 空隧道及高净空隧道等各种线